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1、第三章集成运算放大器第一节集成运算放大器概要一、集成运算放大器组成集成运算放大器是一种集成电路，是上世纪60 年代发展起来的半导体器件。集成电路是采用半导体制造工艺，将三极管、 二极管、 电阻等元件集中制造在一小块基片上，构成的一个完整电路。与分立元件电路比较，集成电路体积小、重量轻、耗能低、成本低、可靠性高。如图 3-1 所示，集成运算放大器主要由输入级、中间放大级、功率输出级、偏置电路等组成。 从结构上看， 集成运算放大器是一个高增益的、各级间直接耦合的、具有深度负反馈的多级合放大器。图 3-1 集成运算放大器框图由于基片很小，集成运算放大器内电阻的阻值不宜超过20k电容不宜超过数十皮法。
2、因为不能装较大电容，所以级间只能直接耦合。集成运算放大器所用的三极管多是NPN 型硅管。三极管除用作放大元件外，还用作恒流源来以代替高值电阻。集成运算放大器的输入级通常是晶体管恒流源双端输入差动放大电路。这样可有效控制零点漂移， 提高共模抑制比，并可获得较好的输入特性和输出特性。差动放大电路有两个输入端， 即集成运算放大器的反相输入端和同相输入端。反相输入端输入时，输出信号与输入信号反相。同相输入端输入时，输出信号与输入信号同相。集成运算放大器的中间级的主要作用是电压放大，一般采用多级直接耦合的共射放大电路。集成运算放大器的输出级的作用是给负载提供足够的功率，一般采用射极输出器或互补对称功率放
3、大电路，以降低输出电阻，提高带负载能力。输出级装有过载保护。集成运算放大器的偏置电路的主要作用是向各级放大电路提供偏置电流，以保证各级放大电路有适当的静态工作点。除上述几部分外，集成运算放大器还可以装有外接调零电路和相位补偿电路。集成运算放大器的外形见图3-2。图 3-2 集成运算放大器的外形名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 14 页 - - - - - - - - - 图 3-3 是集成运算放大器的电路符号和简化符号。图 3-3 集成运算放大器的符号LM3
4、24 通用型四集成运算的管脚排列见图3-4。图 3-4 LM324 通用型四集成运算放大器二、集成运算放大器主要技术参数(1)开环差模电压放大倍数Auo 集成运放 （集成运算放大器）在输出端与输入端之间不接入任何元件、输出端不接负载状态下的直流差模放大倍数。定义为idoouoUUUUUA。如用分贝表示，开环差模电压放大倍数为20lgAuo。集成运放的开环差模电压放大倍数多为1 1041 107，即80 140dB。因为集成运放在线性段不用于开环状态，所以开环差模电压放大倍数只表示集成运放的精度。CF741 的 Auo约为 100dB。(2)最大输出电压Uopp 不失真的条件下的最大输出电压的峰
5、-峰值。 CF741 的 Uopp为 1314V。(3)输入失调电压Uio 又称为输入补偿电压。由于元件不完全对称，使得ui= 0 时， Uo0。输入失调电压是为保持 Uo=0，需要在输入端所施加的补偿电压。Ui0越小越好，一般为数毫伏。(4)输入失调电流Ii0 由于元件不完全对称，当ui= 0 时，IB1IB2。输入失调电压是ui= 0 时静态基极电流的差值，即2B1B0iIII。Ii0越小越好，一般为1 100nA。(5)最大差模输入电压UidM不致使输入级晶体管遭到破坏的输入电压。CF741 的 UidM为 30V。(6)最大共模输入电压UicM 在正常工作状态所能够抑制的最大共模电压。
6、CF741 的 UicM为 13V。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 14 页 - - - - - - - - - (7)共模抑制比KCMR 一般指差模电压放大倍数Aud与共模电压放大倍数Uuc之比。高精度集成运放的KCMR达 120dB。CF741 的 KCMR为 90dB。(8)输出电阻ro 开环状态下的动态输出电阻。ro表征集成运放的带负载能力。ro多为数十欧至数百欧。CF741 的 ro为 75。(9)差模输入电阻rid 开环状态下两输入端之间的的动
7、态输入电阻。rid表征集成运放对信号源的要求。一般集成运放 rid为数百千欧至数兆欧，高rid集成运放的达1 1012以上。三、理想集成运放用理想集成运放代替实际集成运放进行分析，分析过程可以大为简化。理想集成运放的基本理想化条件是：开环差模电压放大倍数Auo、差模输入电阻rid、输出电阻 ro0、共模抑制比KCMR、失调及漂移0。图 3-5 理想集成运放由基本理想化条件可得出理想集成运放的以下特征（图3-5） ：输入电流i =i+0 这是因为rid，0ididruii。由于两输入端之间类似断开，称之为“虚断” 。输入端电压u+u这是因为uuuAouo，uu+0。由于两输入端之间的电位差近似为
8、零，类似短路，称之为“虚短”。图 3-5 中， uu+0 这是因为 u+= i+R2=0。反相输入端虽未接地，却类似接地，称之为“虚地”。四、集成运放的传输特性如图 3-6 所示，集成运放的传输特性分为线性区和非线性区（饱和区）。在理想的线性区， uo=Auouid；在非线性区，uo达到饱和值。饱和值接近集成运放的电源电压。由于集成运放的开环电压放大倍数很大，很容易饱和，要使集成运放工作在线性区，必须使其工作在闭环状态，并引入深度负反馈。图 3-6 集成运放的传输特性第二节集成运放线性应用电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -
9、- - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 14 页 - - - - - - - - - 一、比例电路图 3-7(a)是反相比例电路。图中，R1是信号输入电阻、R2是直流平衡电阻、Rf是反馈电阻。因为 u =u+=0， 有1i1Rui， 又因为 i =0， 有 i1=if ， 即fo1iRuRu。 由此得到1fioRRuu，i1fouRRu。当 Rf= R1时，uo= ui，称为反相器。 为了保证集成运放差动输入级静态平衡，要求平衡电阻R2= R1/ Rf。该比例电路的反馈是深度电压并联负反馈。其输入电阻不高、输出电阻低。图 3-7 比例电路图 3-7(b)是同相比例
10、电路。因为i =0，有 i1=if ，又因为u =u+=ui，有foi1i0RuuRu，1fio1RRuu，i1fo1uRRu。当 Rf=0 时， uo= ui，称为电压跟随器。为了保证集成运放差动输入级静态平衡，也要求平衡电阻R2= R1/ Rf。该比例电路的反馈是深度电压串联负反馈。其输入电阻很高、输出电阻低。由上述比例电路可知，运算放大器的闭环放大倍数决定与外围元件的参数，与开环放大倍数无关。二、加、减法电路1加法电路图 3-8(a)是反相加法电路。由i11+i12+i13=if和 u =0 可求得3i13f2i12f1i11fouRRuRRuRRu如取 R11=R12=R13=Rf ，
11、可得 uo= (ui1+ui2+ui3)。平衡电阻为R2= R11/ R12/ R13/ Rf 。图 3-8(b) 是同相加法电路。由i21+i22+i23=0 和of11uRRRuu可求得232221233i222i211i1fo1111RRRRuRuRuRRu如取 R21=R22=R23、Rf=R21/2，可得 uo= ui1+ui2+ui3。电阻平衡条件为R21/R22/R23= R1/ Rf 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 14 页 - - -
12、- - - - - - 图 3-8 加法电路2减法电路图3-9是 典型的 减法电 路。根 据i1=if得fo11iRuuRuu，uRRuRRu1f1i1fo1。因为2i323uRRRuu，所以2i3231f1i1fo1uRRRRRuRRu。该 结 果 也 可 叠 加 求 得 。 ui1单 独 作 用 得1i1fouRRu， ui2单 独 作 用 得2i3231f1fo11uRRRRRuRRu。ooouuu，即上述结果。图 3-9 减法电路例题 3-1 求图 3-10 所示电路的输出电压和平衡电阻。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -
13、- - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 14 页 - - - - - - - - - 图 3-10 例题 3-1 图解 ： 第 一 级 为 反 相 比 例 电 路 ，1i11f1ouRRu。 第 二 级 为 反 相 加 法 电 路 ，2i42f1i312f1f2i42f1o32fouRRuRRRRuRRuRRu。平衡电阻为R2=R1/Rf1、R5=R3/R4/Rf2。例题 3-2 试用图 3-11 所示两级集成运放设计uo=5ui1+2ui20.5ui3。已知 R11= R3= R4=20k。图 3-11 例题 3-2 图解：应用两级反相加法电路，得2i121
14、f1i111f1ouRRuRRu3i42f2i3122f1f1i3112f1fouRRuRRRRuRRRRu由53112f1fRRRR、23122f1fRRRR、5.042fRR求 得R12=2.5R11=50k、 Rf2=0.5R4=10k、Rf1=200k、R2=13.3 k、R5=5 k。例题 3-3 图 3-12 所示电路中，已知R1=R4=R、R2= R3=5R，求输出电压。如已知ui的波形如图 (b)所示，试画出uo的波形。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第
15、6 页，共 14 页 - - - - - - - - - 图 3-12 例题 3-3 图(a)电路图(b)波形图解：输出电压为V2052011i43412i1212i12ouRRRRRuRRuRRuRRu由 ui=0 时 uo=20V， ui=2V 时 uo=10V，按线性关系可画出uo的波形。三、微分、积分电路1微分电路图 3-13(a) 所示电路中，由i1=if和tuiddi1、fofRui可求得tuCRuddifo。uo是ui的微分。该电路称为微分运算电路。图 3-13 微分电路和积分电路2积分电路图 3-13(b) 所示电路中， 由 i1=if和1i1Rui、tuCiddoff可求得t
16、uCRud1if1o。uo是 ui的积分。该电路称为积分运算电路。例题 3-4 求图 3-14 所示电路的输出电压（设电容上初始电压为零）。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 14 页 - - - - - - - - - 图 3-14 例题 3-4 图解：当 ui2=0 时，tuCRuddo1i，输出ttuRCu01iod1。当 ui1=0 时，当 ui2=0 时，tuCRuddo2i， 输 出ttuRCu02iod1。 当ui1、 ui2同 时 作 用 时
17、， 输 出ttuuRCuuu01i2ioood1。例题 3-6 画出图 3-15 反相输入跃阶电压信号时，微分电路、积分电路输出电压的波形。解：波形见图3-15。图 3-15 例题 1-12 图例题 3-7 试分析图 3-16 所示电路的功能。图 3-16 例题 3-7 图解： R4、T 组成稳压电路。设T 的稳压值为UZ，则输出电压Z12oURRU。调节R2名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 14 页 - - - - - - - - - 可改变输出电压。该电
18、路为电压可调的稳压电源。例题 3-8 试证明图 3-17(a)所示电路为低通有源滤波器电路。图 3-17 例题 3-8 图解：其闭环电压放大倍数为：o1f1f1fiouf1111111jRRCRjRRuCjCjRuRRUUA，2o1fuf11RRAufA曲线见图 3-17(b) 。低频通过， 高频衰减， 电路为低通有源滤波器电路。RCf21o称截止频率；ufouf707.0AA的频带称通频带。四、桥式RC 正弦波振荡器图 3-18为 RC 正弦波振荡电路。该电路包括：图 3-18 RC 正弦波振荡电路(1)RC 串并联选频网络当RCf21时，of31UU，即3ofUUF，且Uf与Uo同相。(2
19、) 自激振荡当1fuf1RRA，且 Rf=2R1时， Auf=3，满足振荡条件1FA。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 14 页 - - - - - - - - - (3) 起振Rt随电流增大而降低，接通电源瞬间，由1FA自动过渡到1FA。(4) 稳幅其过程是UoIfRtAufUo。第三节集成运放非线性应用电路当集成运放处于开环状态或正反馈状态时，很快达到饱和，输出负饱和值或正饱和值。饱和值接近电源电压。这时，uo与 ui不再保持线性关系。一、比较器1电压比
20、较器图 3-19(a)为电压比较器。当uiUR时，uo= +Uo(sat)。如基准电压 UR=0，则与零值比较，为过零比较器。相应的uoui见图 3-19(b) 、(c)。图 3-19 电压比较器2限幅比较器图 3-20 是两种类型的限幅比较器。图中忽略了晶体管的正向管压降。图 3-20 限幅比较器(a)电路图(b)波形图3滞回比较器图3-21是 滞 回 比 较 器 的 电 路 和 波 形 。 如 比 较 器 输 出uo=+Uo(sat) ， 则1THRo2f2UUuRRRu，当1THiUu时，输出电压变化为o(sat)oUu。这时，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -
21、 - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 14 页 - - - - - - - - - 同相输入端电压变化为2THRo2f2UUuRRRu，当2THiUu时，输出电压变化为o(sat)oUu。图 3-21 滞回比较器(a)电路图(b)波形图二、方波发生器图3-22 是 方 波 发 生 器 的 电 路 和 波 形 。 如t=0时 ， uC=0 ， 则uo= +Uo(sat)， 且o ( s at )o ( s a t )212uURRRu； 此时，电容开始充电； 当充电至 ui= uC uo(sat)时，uo= Uo(sat
22、)，且电容开始放电；当放电至ui= uCuo(sat)时，再次uo= +Uo(sat)。如此循环下去，构成方波发生器。图 3-22 方波发生器(a)电路图(b)波形图例题 3-9 图 3-23(a)电路中，已知ui为正弦波，如忽略稳压管正向管压降，试绘制uo的波形。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 14 页 - - - - - - - - - 图 3-23 例题 3-9 图由反向比例电路得i1fouRRu。uo削波输出如图3-23(b) 。例题 3-10
23、图 3-24(a)电路中，已知 ui=10sin tV， 稳压管工作电压为6V、 正向管压降为0.7V，试绘制 uo的波形。图 3-24 例题 3-10 图o102010uu，翻转电压约为2.2V，输出电压为6.7V ，uo的波形如图3-24(b)。例题 3-11 试绘制图 3-25(a)电路 uo的波形。ui、uo1和 uo的波形见图3-25(b)。图 3-25 例题 3-11图例题 3-12 图 3-26(a)电路中，已知ui的波形，试绘制uo的波形。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -
24、- - - - 第 12 页，共 14 页 - - - - - - - - - 如电容无放电回路，uo的波形见图3-26(b) 。此电路为有源峰值检波电路。图 3-26 例题 3-12 图第四节集成运放应用中的具体问题一、集成运放产品集成运放的系列品种很多。结构简单、 性能可靠、 满足使用需要、价格低廉是选用集成运放的基本要求。当电路中只需要一级运放时，应采用单运放； 需要两级运放时，应采用双运放；需要三级、四级运放时，应采用四运放。这样有利于提高系统的可靠性。LM741 、LM324 、A348 等都是通用型集成运放。其主要技术参数见表3-1。表 3-1 集成运放的技术参数类型与型号单运放双
25、运放四运放LM741 通用型LM318 高速型LM747 通用型LF353 高阻型LM324 通用型LF347 高阻型输入失调电压 /mV 2.0 4.0 1.0 5.0 2.0 0.01 输入失调电流 /pA 2.0 30 20 5 25 输入偏置电流 /nA 80 750 80 0.05 30 50 差模输入电阻 /M2.0 3.0 2.0 1061012差模电压增益 （ Aud）200000 200 200000 100000 100000 100000 差模输入电压 /V 30 11.5 30 30 0 (Vcc-1.5) 10 电源电压 /V 15 15 22 18 16 15 电源
26、电流 /mA 1.7 5 1.7 3.6 1.5 75mW 共模抑制比 /dB 90 100 90 100 70 100 二、集成运放的保护电源反接保护见图3-27。图 3-27 电源反接保护输入保护见图3-28。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 14 页 - - - - - - - - - 图 3-28 输入保护输出保护见图3-29。图 3-29 输出保护名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 14 页 - - - - - - - - -